在更寬帶寬應(yīng)用中使用零漂移放大器的注意事項(xiàng)
零漂移運(yùn)算放大器使用斬波、自穩(wěn)零或這兩種技術(shù)的結(jié)合來消除不需要的低頻誤差源,例如失調(diào)和1/f噪聲。傳統(tǒng)上,此類放大器僅用于低帶寬應(yīng)用中,因?yàn)檫@些技術(shù)在較高頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生偽像。只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了高頻誤差,例如紋波、毛刺和交調(diào)失真(IMD)等,較寬帶寬的解決方案也可以受益于零漂移運(yùn)算放大器的出色直流性能。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202411/464339.htm零漂移技術(shù)
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斬波背景
第一種零漂移技術(shù)是斬波,它將誤差調(diào)制到較高頻率,從而將失調(diào)和低頻噪聲與信號內(nèi)容分離。
圖1顯示了(b)斬波如何將輸入信號(藍(lán)色波形)調(diào)制到方波,在放大器中處理該信號,然后(c)將輸出端信號解調(diào)回直流。與此同時(shí),放大器中的低頻誤差(紅色波形)在(c)輸出端被調(diào)制到方波,然后(d)通過低通濾波器(LPF)濾波。
圖 1. 在 (a) 輸入、(b) V 1 、(c) V 2 和 (d) V OUT 端的信號(藍(lán)色)和誤差(紅色)的時(shí)域波形
同樣,在頻域中,輸入信號(圖2中的藍(lán)色信號)被(b)調(diào)制到斬波頻率,在f CHOP 由增益級處理,(c)在輸出端解調(diào)回直流,最后(d)通過LPF。放大器的失調(diào)和噪聲源(圖2中的紅色信號)在DC頻率通過增益級處理,(c)由輸出斬波開關(guān)調(diào)制到f CHOP ,最后(d)由LPF濾波。由于采用方波調(diào)制,因此調(diào)制發(fā)生在調(diào)制頻率的奇數(shù)倍附近。
圖 2. 在 (a) 輸入、(b) V 1 、(c) V 2 和 (d) V OUT 端的信號(藍(lán)色)和誤差(紅色)的頻域頻譜
從頻域和時(shí)域圖中均可看出,由于LPF不是理想的磚墻濾波器,因此調(diào)制噪聲和失調(diào)會(huì)造成一定的殘留誤差。
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自穩(wěn)零背景
第二種零漂移技術(shù)自穩(wěn)零,也是一種動(dòng)態(tài)校正技術(shù),其工作原理是采樣并消除放大器中的低頻誤差源。
圖3顯示了基本自穩(wěn)零放大器的例子。它由具有失調(diào)和噪聲的放大器、重新配置輸入和輸出的開關(guān)以及自穩(wěn)零采樣電容組成。
圖 3. 基本自穩(wěn)零放大器
在自穩(wěn)零階段(? 1 ),電路的輸入短接到一個(gè)公共電壓,自穩(wěn)零電容對輸入失調(diào)電壓和噪聲進(jìn)行采樣。請注意,在此階段,放大器無法用于信號放大。為使自穩(wěn)零放大器以連續(xù)方式運(yùn)行,必須讓兩個(gè)相同通道交錯(cuò)。這稱為乒乓式自穩(wěn)零。
在放大階段(? 2 ),輸入連接回信號路徑,放大器又可用于放大信號。低頻噪聲、失調(diào)和漂移通過自穩(wěn)零來消除,剩余的誤差為誤差的當(dāng)前值與前一樣本之差。由于低頻誤差源從? 1 到? 2 變化不大,因此這種減法效果很好。另一方面,高頻噪聲混疊到基帶,導(dǎo)致本底白噪聲提高,如圖4所示。
由于噪聲折疊以及需要額外通道以支持連續(xù)工作,因此對于獨(dú)立的運(yùn)算放大器,斬波可能是更有效的零漂移技術(shù)。
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斬波偽像
盡管斬波可以很好地消除不需要的失調(diào)、漂移和1/f噪聲,但它會(huì)產(chǎn)生不必要的交流偽像,例如輸出紋波和毛刺。ADI公司最近的零漂移產(chǎn)品已采取措施來減小這些偽像,并使其位于較高頻率,使得系統(tǒng)級濾波更容易。
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紋波偽像
斬波調(diào)制技術(shù)將低頻誤差移至斬波頻率的奇數(shù)次諧波,因此紋波是這種技術(shù)的后果。放大器設(shè)計(jì)人員采用許多方法來降低紋波的影響,包括:
生產(chǎn)失調(diào)微調(diào): 通過執(zhí)行一次性初始微調(diào),可以顯著降低標(biāo)稱失調(diào),但失調(diào)漂移和1/f噪聲仍然存在。
斬波和自穩(wěn)零結(jié)合: 放大器先自穩(wěn)零,然后執(zhí)行斬波,以將提高的噪聲譜密度(NSD)上調(diào)制到更高頻率。圖4顯示了斬波和自穩(wěn)零后得到的噪聲頻譜。
圖 4. 噪聲 PSD:斬波或自穩(wěn)零之前,自穩(wěn)零之后,斬波之后,斬波和自穩(wěn)零之后
自動(dòng)校正反饋(ACFB): 可以使用本地反饋環(huán)路來檢測輸出端的調(diào)制紋波,并在其來源處消除低頻誤差。
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毛刺偽像
毛刺是由斬波開關(guān)的電荷注入不匹配引起的瞬態(tài)尖峰。此類毛刺的幅度取決于許多因素,包括源阻抗和電荷不匹配量。毛刺尖峰不僅會(huì)在斬波頻率的偶數(shù)次諧波處引起偽像,而且會(huì)產(chǎn)生與斬波頻率成比例的殘余直流失調(diào)。圖5(左)顯示了這些尖峰在圖1中的V 1 (斬波開關(guān)內(nèi)部)和V 2 (輸出斬波開關(guān)之后)處的外觀。在斬波頻率的偶數(shù)次諧波處的額外毛刺偽像是由有限放大器帶寬引起的,如圖5(右)所示。
圖 5.(左)圖 1 中的 V 1 (斬波開關(guān)內(nèi)部)和 V 2 (斬波開關(guān)外部)處的電荷注入導(dǎo)致的毛刺電壓;(右)圖 1 中 V 1 和 V 2 處的有限放大器帶寬引起的毛刺
與紋波一樣,放大器設(shè)計(jì)人員也有降低零漂移放大器中的毛刺影響的技術(shù):
電荷注入微調(diào): 可以將可調(diào)整電荷注入斬波放大器的輸入端,以補(bǔ)償電荷不匹配,從而減少運(yùn)算放大器輸入端的輸入電流量。
多通道斬波: 這不僅減小了毛刺幅度,而且還將其移至更高頻率,使濾波更加容易。與簡單地在更高頻率執(zhí)行斬波相比,該技術(shù)導(dǎo)致毛刺更頻繁,但幅度較小。圖6將典型的零漂移放大器與 ADA4522進(jìn)行了比較,后者使用該技術(shù)顯著降低了毛刺的影響。
圖 6. ADA4522 中的電壓尖峰降低到本底噪聲
圖 7. 斬波器放大器偽像,包括上調(diào)制紋波和電荷注入毛刺
總結(jié)一下,圖7顯示了斬波放大器的輸出電壓,其中包含:
紋波,由斬波頻率奇數(shù)倍處的上調(diào)制失調(diào)和1/f噪聲引起。
毛刺,由斬波開關(guān)的電荷注入不匹配和有限放大器帶寬在斬波頻率的偶數(shù)倍處引起。
系統(tǒng)級考慮因素
在數(shù)據(jù)采集解決方案中使用零漂移放大器時(shí),務(wù)必了解頻率偽像的位置并作出相應(yīng)的規(guī)劃。
在數(shù)據(jù)手冊中查找斬波頻率
數(shù)據(jù)手冊通常會(huì)明確說明斬波頻率,但通過查看噪聲頻譜圖也可以確定斬波頻率。ADI公司最新的幾款零漂移放大器的數(shù)據(jù)手冊顯示了偽像在頻譜中發(fā)生的位置。
ADA4528 數(shù)據(jù)手冊不僅在“應(yīng)用信息”部分明確說明了200 kHz的斬波頻率,而且這也可以在圖8所示噪聲密度曲線中清楚地看出。
圖 8. ADA4528 的噪聲密度曲線
在ADA4522數(shù)據(jù)手冊的“工作原理”部分中,斬波頻率為4.8 MHz,失調(diào)和紋波校正環(huán)路工作在800 kHz。圖9顯示了ADA4522的噪聲密度,其中可以看到這些噪聲峰值。在單位增益時(shí),由于環(huán)路的相位裕量較低,在6 MHz處也有一個(gè)噪聲凸起,這不是零漂移放大器所獨(dú)有的。
圖 9. ADA4522 的噪聲密度曲線
務(wù)必記住,數(shù)據(jù)手冊中描述的頻率是一個(gè)典型數(shù)值,可能因器件而異。因此,如果系統(tǒng)需要兩個(gè)斬波放大器進(jìn)行差分信號調(diào)理,請使用雙通道放大器,因?yàn)閮蓚€(gè)單通道放大器在斬波頻率方面可能略有不同,因而可能相互作用并引起額外的IMD。
匹配輸入源阻抗
與輸入源阻抗相互作用的瞬態(tài)電流毛刺可能會(huì)導(dǎo)致差分電壓誤差,從而可能在斬波頻率的倍數(shù)處產(chǎn)生額外的偽像。圖10顯示了ADA4522在源電阻不匹配情況下的噪聲密度曲線(底部)。為了解決這一潛在的誤差源,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保斬波放大器的每個(gè)輸入看到的阻抗相同(頂部)。
圖 10. ADA4522 中的噪聲:輸入源電阻匹配(頂部)和不匹配(底部)
IMD和混疊偽像
使用斬波放大器時(shí),輸入信號可能與斬波頻率f CHOP 混頻,從而在f IN ± f CHOP 、f IN ± 2f CHOP 、2f IN ± f CHOP …處產(chǎn)生IMD。這些IMD產(chǎn)物可能出現(xiàn)在目標(biāo)頻段中,尤其是當(dāng)fIN接近斬波頻率時(shí)。為了消除此問題,請選擇斬波頻率遠(yuǎn)大于輸入信號帶寬的零漂移放大器,并確保在此放大器級之前濾除頻率接近f CHOP 的干擾信號。
使用ADC對放大器輸出進(jìn)行采樣時(shí),斬波偽像也可能發(fā)生混疊。圖11顯示了ADC采樣時(shí)毛刺頻率混疊產(chǎn)生的IMD產(chǎn)物示例。這些IMD產(chǎn)物依賴于毛刺和紋波幅度,并且可能因器件而異。設(shè)計(jì)信號鏈時(shí),有必要在ADC之前使用抗混疊濾波器以減少此IMD。
圖 11. IMD 的一個(gè)示例,其中 ADC 對毛刺采樣,并在 f SAMPLE – 2f CHOP 處引起混疊。
斬波偽像濾波
在系統(tǒng)層次上,處理這些高頻偽像的最有效辦法是濾波。零漂移放大器和ADC之間的LPF減少了斬波偽像,并避免了混疊。因此,具有更高斬波頻率的放大器可放寬對LPF的要求,并支持更寬的信號帶寬。
例如,圖13顯示了ADA4522使用圖12所示不同技術(shù)來減輕斬波偽像的效果:提高閉環(huán)增益,后置濾波,以及并聯(lián)使用電容和反饋電阻。
圖 12. 濾除偽像的放大器配置
圖 13. ADA4522 NSD,使用頂部顯示的一階濾波器方法:(左)提高增益會(huì)降低放大器帶寬,濾波器濾除噪聲尖峰;(右)使用 RC 濾波器。
根據(jù)系統(tǒng)對頻帶抑制的需求,可能需要一個(gè)更高階有源濾波器。ADI公司有許多資源可幫助設(shè)計(jì)濾波器,包括 多重反饋濾波器教程 和 在線濾波器設(shè)計(jì)工具 。
了解斬波偽像發(fā)生的頻率可以幫助創(chuàng)建所需的濾波器。表1列出了零漂移放大器引起的交流偽像的位置。
結(jié)論
通過了解零漂移放大器中的高頻偽像,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更有信心地將零漂移放大器用于更寬帶寬的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量因素包括:
零漂移放大器輸入端的源輸入阻抗應(yīng)匹配
使用雙通道放大器進(jìn)行差分信號調(diào)理
在數(shù)據(jù)手冊噪聲頻譜中找到偽像的頻率
設(shè)計(jì)濾波器以降低動(dòng)態(tài)降失調(diào)技術(shù)所引起的高頻偽像的影響
了解頻域中的高頻偽像并作出合理規(guī)劃
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